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微卫星DNA技术在蜜蜂遗传育种中的应用

湖北天马养蜂场2011-09-12 13:48:57蜜蜂遗传3101

摘要:微卫星DNA标记由于具有数量多、分布广且均匀、多态性丰富、分析快速方便等优点,已被广泛应用于蜜蜂的遗传育种之中。本文就其在蜜蜂遗传育种中的应用研究进展作一综述。

关键词:微卫星;蜜蜂;遗传育种

微卫星(Microsatellite),又称简单序列重复(SimpleSequenceReFeat,SSR)、短串联重复序列长度多态性(ShortTandemRepeatPolymorphisms。STRs),由核心序列和两侧的侧翼序列所构成,核心序列——般由短核苷酸组成,呈10~60次串联重复状随机分布于生物体整个基因组,其重复数的差异则形成微卫星高度的多态性,侧翼序列使微卫星特异地定位于染色体某一部位。微卫星标记作为第二代分子遗传标记,具有分布广泛、多态信息含量高、呈共显性遗传及检测快速方便等优点,在构建遗传连锁图谱、评价遗传多样性和群体进化、绘制系统发生树、血缘关系鉴定、核基因组研究以及基因定位等研究巾得到广泛的应用。联合国粮农组织(FAO)在其持续发展和管理动物遗传资源的战略计划中,也将微卫星标记作为优先推荐的分析工具。

与其他模式生物相比。蜜蜂具有世代间隔短、选择育种容易等特点,而且蜜蜂的生产性能相对单一,是绝佳的育种素材。在蜜蜂遗传育种中,一些形态学遗传标记和生化遗传标记已经得到一定程度的应用,随着分子生物学技术的发展,微卫星DNA技术近年来也成为蜜蜂遗传育种研究中的有效工具,本文就微卫星技术在蜜蜂群体遗传结构分析、亲子鉴定和血缘控制、数量性状连锁标记、基因图谱的构建,杂交优势预测等方面的研究进展作以概述。

1群体遗传结构分析

1.1起源进化及分类

蜜蜂各品种或地理亚种个体形态较为相似,仅仅凭形态学或解剖学手段进行分析不能完全确定蜜蜂品种,而利用微卫星DNA技术进行蜜蜂种内或种间多态性分析则为区别蜜蜂的亚种或品种提供了准确的手段。

例如欧洲蜜蜂和非洲蜜蜂在体色、绒毛、个体大小等方面很相似,根据外部形态特征难以将它们区分开来。P.Franck等根据6个微卫星位点分析了来自于摩洛哥、几内亚、马拉维和南非的8个蜜蜂群体,并和来自于欧洲、中东的另外8个群体比较,结果8个非洲群体聚类到一组,其中又分为两个亚组,均具有较高的遗传多样性,南欧的群体则显示出非常低的非洲化水平。这为蜜蜂内部的准确分类又提供了分子水平上的佐证。

1.2遗传多样性研究

群体遗传多样性对了解品种的遗传背景及其分析群体进化过程具有重要意义。微卫星比血液、蛋白质更具有丰富多态性,因此在分析种群间的遗传距离以及绘制系统发育树时更为准确和高效。MichelSolignac等分析了来自于基因组DNA文库或BAC文库的552个微卫星序列,包括这些序列的引物和等位基因片段长度。这552个位点在蜜蜂上都具有多态性,其中大部分在其他蜂种上可以成功扩增,例如东方蜜蜂(Apiscerana)(58%),大蜜蜂(A.dorsata)(59%),小蜜蜂(A.florea)(38%)。S.Hartel等指出微卫星标记在所检测的每个位点具有13~33个等位基因,丰富的高多态性,能为遗传多态性提供充分的信息。

2亲子鉴定和血缘控制

2.1亲缘鉴定、社会结构和血缘控制

在有些物种中很难识别相互之间甚至父子或母子之间的亲缘关系,微卫星技术可用于亲子鉴定,以防止近亲交配和作为繁殖育种的主要依据。利用微卫星标记可以进行种群内和种群问的遗传差异研究,种群内遗传差异研究较多。在社会性昆虫研究中,由于微卫星比同工酶有更大的多态性,在做父子排除时,用更少的微卫星位点就可解决。F.Bernhard等应用单倍体雄蜂的微卫星数据库来估计在群体中繁殖雄性的蜂王的数量,从而用于蜜蜂育种中估计群体有效规模大小。

P.DeLaRua等通过线粒体多态性和基因组中微卫星DNA对来自于Canary岛的意大利蜂群体的遗传结构进行分析。通过按照平均等位基因的数目和杂合程度分析,这些群体显示出较低水平的遗传变异,在分析的两套数据中,通过等位基因的分布具有显著差异,这说明,基因差异发生在岛屿间,但岛内没有发生。微卫星DNA分析对欧系蜜蜂的等位基因进一步确认了基因入侵的存在。系统发生树分析说明加那利群岛的和其他血统的蜜蜂的区别,为分析非洲血统蜜蜂的起源提供了证据。

C.M.Payne等闲用微卫星位点B10来判断以前没有检测过的北美熊蜂群体中多种父系的频率。有效交配频率(Me)在28个群体中有6个大于1。B10位点说明高杂交种可以成功扩增北美熊蜂群体。

N.Azuma等证实微卫星标记可以提供足够的信启、用于昆虫的社会性和交配行为的遗传分析。他们利用8个微卫星位点对姬花蜂科的小卡彭特蜂(Cerdjnoflauipes)进行分析。这些位点均有2~8个等位基因的期望杂合度在0.21~0.87间,并且用其对分布于日本南方的同属的冲绳姬花蜂进行分析同样有效。目前利用这些位点来分析姬花蜂种的社会性和交配系统具有争议,仍需要进一步进行分析。

由于微卫星座位具有复等位性,从而易于鉴别同一物种的不同基因型,反映出物种的地理分布;家谱关系等多态性特点,并可鉴定个体的纯度及真假杂种。而且,大多数的微卫星弓I物可以有效地从蜜蜂的基因组中扩增出产物,这大大简化了蜜蜂的遗传分析,尤其是那些濒危、遗传特征不甚了解的品种,这将为蜜蜂的育种增添更多的种质资源。

2.2种群杂合度检测、基因侵入和保种计划

蜜蜂亚种的自然分布由于人类的活动而受到了重大的影响。上世纪,欧洲引入非本地蜜蜂品种并传播,导致本地黑蜂群体被基因流影响而失去了其特征甚至灭绝。AB.Jense等利用11个微卫星DNA标记评估欧洲西北部8个黑蜂群体,证明在挪威、瑞典、丹麦、英格兰和爱尔兰仍然有欧洲黑蜂存在,但正被商业蜜蜂的基因流所威胁。

B.Darvill等利用微卫星分析英国的岛屿和陆地上的熊蜂群体,这些熊蜂群体十分稀少而且处于衰退中。通过群体基因结构和基因流,基因多样性间的相关性,群体规模和分离程度的分析,发现远距离群体间会产生显著的基因结构(θ=0.12差异和分离。不管是在岛屿还是在陆地,群体距离大于10km就会有极显著的差异。相近品种间的基因多样性降低,被隔离的群体显示出更少的差异性。16个群体中的10个显示出最近有过瓶颈效应。这些均表明,这些仅有的存在的昆虫由于地理隔离而造成近亲交配较多,社会性的膜翅目昆虫对有效群体规模较低而引起的近交十分敏感。因此在保存社会性昆虫方面,必须考虑到基因水平的保种方案。

KarstenNeumann等利用6个微卫星为点对9个位于欧洲大陆和一个岛屿上红色梅森蜂(Osmiarufa)的群体进行遗传结构分析,所有的微卫星位点都用三个以上的Osmia品种扩增。发现基因的变异性和杂合度中等,在大陆的群体间没有显著的变异,只有来自于塞浦路斯岛上的群体有明显的分化,地理和遗传距离上的相关说明在大陆间的蜜蜂间有基因流存在。

有时出于保种目的,必须了解地方品种地理隔离的范围。因为蜂王和雄蜂在半空中婚飞时可以到达很多公里以外,蜜蜂的保种必须在一个很大的隔离范围内,以避免和其他亚种之间的杂交。AnnetteB.Jensen等等用微卫星标记分析父系以判断交配距离和隔离程度。证明两个分开的山脉并不能完全隔离蜂群交配。观测到的大半的交配距离在Hope山谷内,使这个地点为黑蜂群体的长期保种提供了一个适宜的环境。

3数量性状连锁标记

长期以来对蜜蜂一些重要的经济性状进行选择和改良,主要根据个体或群体的表型值,然而这类性状的表型值大多是由多个基因与环境相互作用的综合表现,由于无法确定个体的基因值,因而易造成较大的误差,从而造成进展缓慢。因此,如果能将其它的经济性状同微卫星标记联系起来,用于育种的辅助选择,这将大大加快育种的进程。而且随着蜜蜂全基因组测序工作的完成,利用微卫星DNA多态性方法辅助蜜蜂育种将越来越现实。

利用微卫星DNA标记与某些功能基因或QTL间的连锁关系,可将一些功能基因或QTL定位在某个染色体上或连锁群中。然而,此领域的研究在蜜蜂上还非常少,几乎处于萌芽时期。李建科通过不同位点上微卫星等位基因频率的差异可能与蜂种产浆量高低有关基因有紧密的连锁关系,推断A29的159bP,A24的100bp和104bP,A7的110bP,A43的126bP,A14的22lbp和113的221bP可能是蜂王浆高产的微卫星DNA标记,而A24的106bp,A43的140bp,All3的215bP,A14的219bp应是蜂王浆低产的微卫星DNA标记,但这些仍需要通过进一步的研究加以证实叫。

4基因图谱的构建

微卫星是一种共显性标记,其遗传分析过程相对简化,不仅利于作图群体间标记转换,而且也便于从遗传图谱向物理图谱过渡。随着研究的进行,越来越多的微卫星将会被发现,构建以微卫星标记为主的微卫星遗传图谱是完全可能的。如利用微卫星进行QTL分析、基因定位、分子标记辅助选择、遗传图谱的构建,连锁分析等。我国是世界上的养蜂大国,从蜜蜂的种质资源到饲养技术都在世界上具有一定地位,尤其是我国选育的蜂王浆高产蜂种,具有独特的生产特性。借助现代分子生物学的技术,找出蜂王浆高产的分子标记,并辅助选择育种的研究将会大大加快蜜蜂遗传育种的进程。

MichelSolignac等利用两个杂交蜂王(意大利蜂×欧洲黑蜂)已经建立出后裔的相关性图谱,总共绘制出541位点,其中474个为微卫星位点,其中一些是PCR扩增时产生的额外条带,两个中有一个是rDNA位点(使用ITS),MDH位点,三个性连锁标记(Q和FB位点,还有一个为RAPD条带)。24个连锁群被检测出来。

5杂种优势预测

研究表明用DNA多态性测定品种或品系间的差异,并据此作出遗传距离要比其他材料稳定,因此用来预测杂种优势也更为准确。借助于微卫星DNA标记,能准确分析蜂种间的亲缘关系,确定相互间的遗传距离,建立树状聚类图,进行杂种优势预测研究,可加快优良蜜蜂新品系。但是这样需要通过大量配制杂交组合,反复进行杂交试验和配合力测定,盲目性大,费时费力,并且亲本的选择大多是根据表现型性状来进行的,而表现型性状受环境因素的影响,稳定性差,存在着很大局限性,也限制了新品系选育速度和品系优良性。所以借助于微卫星标记可以加速这样的选育过程。

6结语湖北天马养蜂场,加我们的微信一起学养蜂。

从目前研究取得的结果来看,微卫星标记在评估蜜蜂群体的遗传多样性、估测遗传距离、构建群体间亲缘关系等方面显示出了很强的优越性,它也成为蜜蜂传育种研究领域的一种强有力的丁具、然而,相对于国外而言,国内利用蜜蜂微卫星DNA人多态性技术,特别是对我国特有蜜蜂品种资源的评价和保护的研究非常少。所以,今后应加强对我国地方蜜蜂品种微卫星遗传标记的研究,从分子水平上来弄清其遗传机制,为我国特有蜂种的遗传资源保护和利用提供重要依据。

引自《中国蜂业》2007(11)